屋頂分布式光伏發(fā)電的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

史 嫄

（河北港灣電力技術(shù)有限公司）

0 引言

在現(xiàn)代城市化進(jìn)程中，隨著人口數(shù)量和城市化程度逐漸增加，越來越多的人開始關(guān)注“節(jié)能減排”問題。隨著全球氣候變暖、環(huán)境污染問題日益突出、化石燃料資源短缺等現(xiàn)實(shí)條件制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。近年來國家大力支持發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)以緩解能源危機(jī)，同時(shí)提出可再生能源建設(shè)規(guī)劃綱要，為我國未來的太陽能光伏發(fā)電市場奠定基礎(chǔ)。由于土地資源有限，屋頂是城市建筑的重要組成部分，成為光伏發(fā)電的重要載體。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市建設(shè)速度加快，建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大。城市中建造大型住宅區(qū)、商業(yè)街區(qū)或工業(yè)廠房等公共用地時(shí)都會選擇利用太陽能作為能源來發(fā)電，抵消一部分電費(fèi)，還能將多余的電量賣給國家電網(wǎng)，因此屋頂分布式光伏是一種非常重要且應(yīng)用前景十分廣闊的新型綠色環(huán)保節(jié)能應(yīng)用。為緩解能源危機(jī)與環(huán)境污染問題，國家出臺了一系列政策來扶持光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，屋頂安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)為解決節(jié)能減碳這一難題取得了顯著應(yīng)用成效［1］。

目前，屋頂分布式光伏發(fā)電主要由太陽能電池組件、支架結(jié)構(gòu)、組串式逆變器和電纜等組成。太陽電池組件是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它將來自外部陽光輻射能轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)陽光足夠強(qiáng)時(shí)輸出電壓會升高，通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電并提供給負(fù)載供電，所發(fā)電量能夠就近在建筑內(nèi)部消納使用，減少電纜傳輸損耗［2］。

1 太陽能資源評價(jià)

本項(xiàng)目區(qū)域?qū)偬柲茌椪召Y源豐富地區(qū)［3］太陽能資源等級分類如下表所示。

表 太陽能資源等級分類

2 屋頂分布式光伏建設(shè)思路

華能元氏縣整縣屋頂分布式光伏項(xiàng)目建設(shè)思路為，在元氏縣宋曹鎮(zhèn)，趙同鄉(xiāng)，北褚鎮(zhèn)，南佐鎮(zhèn)，黑水河鄉(xiāng)的鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）政府，醫(yī)院，學(xué)校，工商業(yè)及農(nóng)戶等屋頂建設(shè)分布式光伏項(xiàng)目。城區(qū)內(nèi)元氏縣常山路小學(xué)，元氏縣槐陽實(shí)驗(yàn)學(xué)校小學(xué)部，元氏縣實(shí)驗(yàn)中學(xué)，元氏七中以及元氏縣中醫(yī)院，元氏縣科學(xué)技術(shù)局，元氏縣教育局，元氏縣發(fā)展改革局，元氏縣民政局，元氏縣人力資源和社會保障局，元氏縣住建局，元氏縣供銷合作社，元氏縣人民檢察院，元氏縣自然資源和規(guī)劃局，元氏縣市場監(jiān)督管理局，負(fù)責(zé)工業(yè)園區(qū)河北匯康日用品有限公司，河北華遠(yuǎn)冶金設(shè)備有限公司，河北東成啟達(dá)供應(yīng)鏈管理等區(qū)域開發(fā)。實(shí)施屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，采用整體開發(fā)，分步實(shí)施的開發(fā)建設(shè)思路，總?cè)萘考s37.38MW。其中，黨政機(jī)關(guān)屋頂建設(shè)光伏容量約0.9MW，采用“全額上網(wǎng)”的并網(wǎng)模式；企事業(yè)單位屋頂建設(shè)光伏容量約1.96MW，采用“全額上網(wǎng)”的并網(wǎng)模式；農(nóng)村居民屋頂建設(shè)光伏容量約32.22MW，采用 “全額上網(wǎng)”的并網(wǎng)模式；工商業(yè)屋頂建設(shè)光伏容量2.3MW，采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)的并網(wǎng)模式，本項(xiàng)目不占用耕地，滿足國家用地要求［4］。

3 屋頂分布式光伏發(fā)電的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

光伏支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案需要結(jié)合具體建筑屋面結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)建筑物自身特點(diǎn)及發(fā)電量最佳等因素綜合考慮，太陽能光伏發(fā)電組件安裝在屋頂閑置空地，不應(yīng)影響建筑使用功能，并在設(shè)計(jì)時(shí)考慮與建筑外觀協(xié)調(diào)一致，同時(shí)根據(jù)原設(shè)計(jì)建筑以及結(jié)構(gòu)圖紙分析原結(jié)構(gòu)的荷載能力，如果結(jié)構(gòu)承載沒有問題，下一步設(shè)計(jì)光伏組件的鋪設(shè)方式［5］。

3.2 混凝土屋面支架設(shè)計(jì)

混凝土平屋面，光伏陣列鋪設(shè)方式采用最佳傾角鋪設(shè)，考慮前后排間距不能對光伏板造成遮擋，同時(shí)保證建筑物及周圍不應(yīng)對光伏組件上的陽光造成遮擋。光伏陣列前后排間距設(shè)計(jì)思路，應(yīng)滿足全年不受遮擋，因此通常情況下考慮間距滿足冬至日9：00～15：00光伏組件不受遮擋，結(jié)合項(xiàng)目所在地的經(jīng)緯度、方位角等，利用專業(yè)軟件測算前后排不遮擋的光伏陣列布置。已建建筑光伏陣列采用混凝土配重支架系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)新增恒荷載為0.3～0.5kN／m2，設(shè)計(jì)安全系數(shù)能夠符合規(guī)范及工程要求。光伏支架系統(tǒng)本身不破壞原有建筑屋面防水功能，原有建筑應(yīng)能保證安裝光伏系統(tǒng)后屋面承重及防水仍能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)安全及使用功能要求［6］。

混凝土屋面光伏固定安裝支架結(jié)構(gòu)與地面光伏電站固定安裝支架較為類似，主要構(gòu)成部分由檁條、主梁、立柱、斜撐等組成。按照規(guī)范要求以及屋面荷載情況，進(jìn)行材料設(shè)計(jì)及選擇，通常檁條厚度大于1.5mm，主梁厚度大于2.5mm，另外立柱材料的厚度大于2.5mm［7］。其安裝效果圖如圖1所示。

圖1 混凝土屋頂光伏陣列安裝效果圖

3.3 彩鋼瓦屋頂支架設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目廠房屋頂主要為金屬屋頂（彩鋼瓦屋頂），光伏組件陣列的鋪設(shè)方式將依照屋面角度平行鋪設(shè)。支架系統(tǒng)固定方式主要根據(jù)彩鋼瓦咬合形狀制作夾具固定組件安裝橫梁，組件底部距屋面不低于150mm作為散熱空間，光伏系統(tǒng)新增恒荷載為0.15kN／m2，設(shè)計(jì)安全系數(shù)能夠符合規(guī)范及項(xiàng)目要求。光伏支架系統(tǒng)本身不破壞原有建筑屋面防水功能，原有建筑應(yīng)能保證安裝光伏系統(tǒng)后屋面承重及防水仍能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)安全及使用功能要求。屋面夾具布置首先考慮沿屋面坡度垂直的方向，當(dāng)彩鋼瓦波距小于等于600mm時(shí)，每間隔一個(gè)波距布置一個(gè)夾具；而當(dāng)彩鋼瓦的波距大于等于600mm，在瓦楞波峰位置一個(gè)夾具，保障間距超過1.2m。屋頂光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工分別由具有專業(yè)設(shè)計(jì)資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位完成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并具有合格施工資質(zhì)的承包單位完成施工。光伏組件的安裝方式通常以固定最佳傾角的形式為理想方案，能夠耦合更高的發(fā)電量，但此方案將對建筑的外觀效果造成嚴(yán)重破壞，因此對彩鋼瓦屋頂擬采用與屋面平行覆設(shè)的安裝方式，此種方式既能保證發(fā)電性能又可兼顧建筑效果的整體性［8］。

彩鋼瓦支架系統(tǒng)通常由鋁合金夾具、導(dǎo)軌、橫梁、中壓塊、邊壓塊等組成，光伏系統(tǒng)全壽命周期為25年，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料選擇時(shí)，支架要具有考慮較好的防腐蝕性能。彩鋼瓦屋面在確定安裝方式時(shí)要充分考慮屋面彩鋼瓦型，選擇與之具有良好匹配的夾具，由螺栓與彩鋼瓦緊密連接。通常情況下彩鋼瓦一般分為角馳性、直立鎖邊以及梯形板，前兩種在選擇夾具時(shí)具有很多種選擇，也比較好實(shí)現(xiàn)，第三種通常需要粘接形式來固定連接件［9］。

3.4 琉璃瓦屋頂安裝支架設(shè)計(jì)

此方案采用彎鉤直接固定在混凝土屋面上，因此在屋面施工，需要對原有附屬物進(jìn)行拆除，做好現(xiàn)場的成品保護(hù)，彎鉤需要結(jié)合屋頂進(jìn)行選擇合理的尺寸。在混凝土屋面安裝施工區(qū)域需要對屋面防水進(jìn)行測試，必要時(shí)需要重新進(jìn)行屋面防水施工，確保安裝光伏后屋面防水仍具有良好的可靠性。整個(gè)支架系統(tǒng)主要由彎鉤連接件、U型鋼導(dǎo)軌、導(dǎo)軌連接件、壓塊連接螺栓、彎鉤固定螺栓，導(dǎo)軌連接件螺栓以及硅酮結(jié)構(gòu)耐候膠構(gòu)成，在彎鉤與膨脹螺栓連接面上涂滿硅酮結(jié)構(gòu)耐候膠。導(dǎo)軌的布置，首先要滿足光伏組件能夠受力均勻，根據(jù)組件的尺寸計(jì)算每排導(dǎo)軌間距［10］，設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 木屋頂支架設(shè)計(jì)圖

4 支架安裝施工注意事項(xiàng)

對于利用建筑金屬屋面板來安裝的光伏系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮檢修通道的設(shè)計(jì)，采用夾具支托件固定光伏組件，在陣列安裝完畢后嚴(yán)禁踩踏，嚴(yán)禁對板子造成遮蔽。同時(shí)考慮清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝，特別是北方地區(qū)，灰塵對光伏板造成較大的發(fā)電損失，需要定期清洗電池組件。光伏組件固定點(diǎn)尺寸按照屋面板棱距寬度2倍距離固定，點(diǎn)陣式陣列在安裝定位時(shí)，要嚴(yán)格按照拉基準(zhǔn)線找準(zhǔn)距離進(jìn)行操作，確保陣列整齊，外觀統(tǒng)一。另外施工中，嚴(yán)禁在電池板支架系統(tǒng)懸掛其他物品，增加支架荷載，由于光伏支架設(shè)計(jì)并未考慮增加其他荷載的情況，因此會造成安全隱患［11］。

5 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及城市建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，建筑領(lǐng)域耗能用能量依然占用較大比重，同時(shí)建設(shè)進(jìn)程中對環(huán)境也造成較大的污染。屋頂分布式光伏發(fā)電利用閑置的空地資源，建設(shè)可再生能源應(yīng)用形式具有較好的發(fā)展前景。本文就屋頂分布式光伏設(shè)計(jì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究分析，為分布式光伏發(fā)展提供參考，同時(shí)希望能為該領(lǐng)域提供些許幫助與啟示。發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。分布式光伏在全國各個(gè)區(qū)域的推廣應(yīng)用，對優(yōu)化區(qū)域能源結(jié)構(gòu)、提升能源利用效率、緩解區(qū)域用能壓力具有良好的應(yīng)用效果，為進(jìn)一步推進(jìn)我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)展目標(biāo)提供基本保障。